Probleme des Wärmeüberganges in der Festkörperkalorimetrie

Wollenberger, H. J.

Book/Report

FZJ-2017-04330

Probleme des Wärmeüberganges in der Festkörperkalorimetrie

Wollenberger, H. J. (Corresponding author)FZJ*

1969
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 621, 56 p. (1969)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/14763

Report No.: Juel-0621-FN

Abstract: In der Festkörperkalorimetrie ist die absolute Messicherheit wesentlich geringer als in anderen Bereichen der Physik. Diese Unsicherheit beeinträchtigt den grundsätzlichen Wert kalorischer Messungen. In der vorliegenden Arbeit werden die Ursachen der mangelhaften Messicherheit untersucht. Schon eine oberflächliche Betrachtung kalorischer Messverfahren zeigt, dass systematische Fehler nur von einem unbekannten Wärmeübergang zwischen bestimmten Teilen einer Messeinrichtung herrühren können. Deshalb wird zunächst eine allgemeine mathematische Formulierung des Wärmeüberganges in einer kalorischen Messeinrichtung eingeführt. Mit ihrer Hilfe wird am Beispiel der sog. adiabatischen Kalorimetrie ausführlich gezeigt, dass die Wärmeentwicklung im Kalorimeter Temperaturverteilungen auf seiner Oberfläche hervorrufen können, die ein nicht messbares Wärmeleck verursachen. Dieses Wärmeleck gibt jedoch nur dann Anlass zu einem systematischen Messfehler, wenn es in Haupt- und Vergleichsmessung (Bestimmung der Wärmekapazität des leeren Kalorimeters) nicht denselben Wert hat. Es wird deshalb geprüft, an welchen Punkten einer Kalorimeteroberfläche solche Wärmelecks auftreten können. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass bei widerstandsbeheizten Kalorimetern üblicher Bauart das an den Heizerzuleitungen auftretende Wärmeleck am stärksten vom Füllzustand des Kalorimeters abhängt. Der systematische Fehler solcher Kalorimeter wird also im wesentlichen durch dieses Wärmeleck verursacht. Mit den abgeleiteten Beziehungen werden die systematischen Fehler einiger spezieller Kalorimeter aus der Literatur abgeschätzt. Die erhaltenen Werte sind mit einer Ausnahme beträchtlich grösser als die von den Autoren angegebenen, sodass die eingangs erwähnten Differenzen zwischen den Messungen verschiedener Autoren allein auf diese Fehlerquelle zurückgeführt werden können. In der numerischen Rechnung wird darüberhinaus gezeigt, dass eine gasgefüllte Messeinrichtung bei gleichen Abmessungen wie eine evakuierte einen um mehr als eine Zehnerpotenz kleineren systematischen Fehler aufweist als diese. Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich sinngemäss auf die sog. isothermen Kalorimeter übertragen. Mit den bei der Fehleranalyse gewonnenen Erkenntnissen wird das Konstruktionsprinzip eines adiabatischen Kalorimeters mit minimalem systematischem Fehler entworfen. Das Beispiel eines im National Bureau of Standards entwickelten Präzisionskalorimeters zeigt, dass dieses Prinzip bei Anwendung der Widerstandsheizung nur durch einen ausserordentlich hohen experimentellen Aufwand verwirklicht werden kann. Ein systematischerFehler der Grössenordnung o,1 % wird nur bei Probenmassen von 100 g und einer Messempfindlichkeit für die Temperatur von 10$^{-3}$ grad/Skt erreicht. Als weiteres Beispiel für ein Präzisionskalorimeter wird das von M. WUTTIG und dem Verfasser entwickelte Elektronenstrahlkalorimeter behandelt. Die Fehleranalyse zeigt, dass eine hohe Messicherheit auch mit geringerem Aufwand zu erreichen ist, wenn man dem Kalorimeter definierte Wärmemengen leitungslos über einen Elektronenstrahl zuführt. Der maximale systematische Fehler dieses Kalorimeters beträgt o,1 %. Messungen an einer 17 g schweren Cu-Probe bei einer Temperaturmessempfindlichkeit von 10$^{-2}$ grad/Skt ergaben innerhalb dieser Fehlergrenze Übereinstimmung mit dem an einer 200 g schweren Probe in einem Präzisionsmischkalorimeter der Physikal. -Techn. Bundesanstalt bestimmten Wert. Die Elektronenstrahlkalorimetrie eröffnet daher der kalorischen Messtechnik bei der Untersuchung kleiner Proben oder geringer Änderungen der thermodynamischen Funktionen neue Möglichkeiten.

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